（化工过程机械专业论文）裂解气干燥器的应力分析研究.pdf

中文摘要 论文题目：裂解气干燥器的应力分析研究 专业：化工过程机械 一 硕士姓名：朱勇( 签名) 指导教师：樊玉光( 签名) 摘要 乙烯生产能力是衡量一个国家石油化工发展水平的重要标志，而大型核心设备的研 发制约着乙烯装置的大型化。本文所研究的特大型裂解气干燥器是百万吨级乙烯装置的 核心设备之一，其工作环境复杂、恶劣，这对裂解气干燥器的结构和强度安全性设计提 出了更高的要求。 对筒体直径达5 2 0 0 m m ，高度为18 8 3 0 m m ，工作温度在1 6 0 - - 2 3 2 1 2 、工作压力在 0 3 9 m p a - - 3 9 m p a 之间交替变化的特大型裂解气干燥器，使用分析设计方法，得到了基 于保证安全性、经济性的壳体尺寸简体壁厚8 0 m m 、封头厚度5 0 m m 。 对裂解气干燥器上下封头、人孔、平盖、接管等开孔应力集中部位采用有限元方法 进行了分析计算，确定了有限元研究模型和网格划分方式，分析并设定了边界条件；计 算结果表明上封头开孔处出现较大应力，筒体开孔处出现最大应力，下封头开孔处和法 兰盖接管开孔处也出现较大应力。对这些危险部位的有限元计算结果进行了线性化处理， 作出了强度安全分析评价，最后进行了这些部位的疲劳强度校核。 对结构变化及应力分布最为复杂的裙座支撑部位，采用有限元方法进行了机械应力 计算分析及疲劳计算分析。用有限元方法对温差最大的裙座支撑部位进行了热应力计算 分析，研究了该处的热箱高度与热应力的关系，结果表明热箱高度对裙座支撑处的热应 力影响很大；研究发现热箱高度从2 0 0 m m 开始，热应力随着热箱高度的增大而逐渐减 小，当热箱高度达到3 8 0 m m 后，热应力开始随着热箱高度的增大而增大；最后根据分 析结果确定了合理的热箱高度。 利用有限元软件对裂解气干燥器复杂的实际工况进行了模拟计算，得到了各实际工 况下压力载荷与温度载荷的组合应力。对温度2 3 2 、压力3 9 m p a 的极端工况下的设备 结构应力分布进行了计算，结果发现由于压力载荷和温度载荷的应力叠加，导致设备结 构局部应力明显增大而影响设备结构安全。为了确保设备结构安全，通过对实际工况下 的应力计算，对工艺生产提出了要求。 关键词：压力容器有限元应力分析热应力 论文类型：应用技术研究 l i 英文摘要 s u b j e c t ：r e s e a r c ho ns t r e s sa n a l y s i so fc r a c k e dg a sd r y e r s p e c i a l i t y ： n a m e ： i n s t r u c t o r ： e t h y l e n ep r o d u c t i v i t yi s a l li m p o r t a n ti n d i c a t o ro fw e i g h i n gn a t i o n a lp e t r o l e u ma n d c h e m i c a li n d u s t r yl e v e lo fd e v e l o p m e n t w h e r e a s ，t h er e s e a r c ha n dd e v e l e p m e n to nl a r g e - s c a l e c o r ee q u i p m e n tr e s t r i c t st h el a r g es c a l eo ft h ee t h y l e n eu n i t n l ee x t r al a r g et y p ec r a c k e dg a s d r y e rw h i c ht h i sa r t i c l es t u d i e si so n eo ft h em e g a t o n - c l a s se t h y l e n eu n i tc o r ee q u i p m e n t s t h e w o r k i n ge n v i r o n m e n ti sc o m p l e xa n db a d ，w h i c hs e t sah i g h e rr e q u e s to nt h es t r u c t u r ea n d i n t e n s i t ys e c u r i t yo f t h ec r a c k e dg a sd r y e r b yt h ea n a l y s i so fd e s i g nm e t h o do nt h ee x t r al a r g et y p ec r a c k e dg a sd r y e rw h i c hh a sa s e r i e so fd e s i g np a r a m e t e ra sf o l l o w s ：t h ed i a m e t e ro ft h ec y l i n d r i c a ls h e l li s5 2 0 0 m m ，t h e h e i g h to ft h ec r a c k e dg a sd r y e ri s1 8 8 3 0 m m ，w o r k i n gt e m p e r a t u r ei s1 6 c - 2 3 2 c ，w o r k i n g p r e s s u r ei s0 7 6 m p a - - - 4 5 m p a c a c u l a t e db ym e t h o do ft h ed e s i g nb ya n a l y s i s ，i tg e t sas a f e t y a n de c o n o m i cs h e l ls i z e ，t h et h i c k n e s so ft h es h e l lc y l i n d e ri s8 0 m m ，a n dt h et h i c k n e s so ft h e h e a di s5 0 r a m b a s e do nt h ef i n i t ee l e m e n tm e t h o dt ot h ea n a l y s i sa n dc a l c u l a t i o no ft h ec r a c k e dg a s d r y e r , i tr e s e a r c h e st h eo p e n i n g so nt h eu p p e ra n dl o w e rh e a d ，t h em a n h o l e ，f l a tc o v e r , p i p e l i n e i n t e r f a c ea n do t h e r sw h i c hw i mh i g h e rs t r e s sc o n c e n t r a t i o n , i td e t e r m i n e st h ef i n i t ee l e m e n t r e s e a r c hm o d e la n dm e s hm o d e ，a n a l y z e sa n ds e t st h eb o u n d a r yc o n d i t i o n s c a l c u l a t i o nr e s u l t s s h o wt h a tt h eo p e n i n g so nt h eu p p e rh e a d 谢lal a r g e rs t r e s s ，m a x i m u l ns t r e s so c c u r r i n ga tt h e o p e n i n g so ft h ec y l i n d r i c a ls h e l l ，o p e n i n g so nt h el o w e rl l e a da n dt h ef l a n g ea l ea l s o 谢ma l a r g e rs t r e s s i th a sc a r r i e do nt h el i n e a r i z e dp r o c e s s i n gt ot h ef i n i t ee l e m e n tc a l c u l a t i o nr e s u l t s o ft h e s ed a n g e r o u sp a r t s ，m a d es t r e n g t ha s s e s s m e n t ，a n df m a u yc h e c k e dt h ef a t i g u es t r e n g t ho f t h e s ep a r t s t ot h es k i r tp a r to ft h ed r y e rw h i c ht h es t r u c t u r a lc h a n g e sa n ds t r e s sd i s t r i b u t i o na r et h e m o s tc o m p l e x ，i tc a r r i e so nt h em e c h a n i c a ls t r e s sa n a l y s i sa n df a t i g u ea n a l y s i sb yt h ef i n i t e e l e m e n tm e t h o d c o m p l e t et h et h e r m a ls t r e s sa n a l y s i st ot h es k i r to ft h ed r y e rb yt h ef i r f i t e e l e m e n tm e t h o d ，i tr e s e a r c h e st h er e l a t i o n sb e t w e e nt h eh o t - b o xh e i g h ta n dt h e r m a ls t r e s s ，t h e n i ti sf o u n dt h a tah i 曲d e g r e ea f f e c t sb e t w e e nt h eh e i g h to ft h es k i r ta n dt h et h e r m a ls t r e s sl i e s o nt h es k i r t t h ea n a l y s i sr e s u l tr e v e a l e dt h a tt h et h e r m a ls t r e s sg r a d u a l l yd e c r e a s e 、析t l lt h e h o t - b o xh e i g h tf r o m2 0 0 m m , w h i l et h et h e r m a ls t r e s sg r a d u a l l yi n c r e a s ew i t l lt h eh o t - b o x h e i g h tf r o m38 0 r a m f i n a l l yi td e t e r m i n e sar e a s o n a b l eh o t - b o xh e i g h ta c c o r d i n gt ot h e a n a l y s i sr e s u l t i i i 英文摘要 i tu s e st h ef i n i t ee l e m e n ts o f t w a r et ot h es i m u l a t i o nc a l c u l a t eo nt h ec o m p l e xw o r k i n g c o n d i t i o n so ft h ec r a c k e dg a sd r y e r ，t h e ng e t st h ec o m b i n a t i o ns t r e s sa n a l y s i sr e s u l ti nt h e c o n d i t i o nt h a tb o t hp r e s s u r el o a da n dt h e r m a ll o a da p p l yo nt h ed r y e r i tc a l c u l a t e st h e e q u i p m e n tc o n s l r u c t i o ns t r e s sd i s t r i b u t i o ni ne x t r e m ec o n d i t i o n st h a tt h et e m p e r a t u r ei s2 3 2 c ， a n dt h ep r e s s u r ei s3 9 m p a ，t h e nf i n d st h a to w i n gt os u p c r p o s i t i o no ft h es t r e s sp r o d u c e db y p r e s s u r el o a da n dt h e r m a ll o a d , 、i tc a u s e st h ee q u i p m e n ts t r u c t u r el o c a ls t r e s st oi n c r e a s e o b v i o u s l yt h e na f f e c t st h ee q u i p m e n ts t r u c t u r es e c u r i t y i no r d e rt og u a r a n t e et h ee q u i p m e n t s t r u c t u r es e c u r i t y , i ts e t sr e q u e s tt ot h ep r o d u c t i o no p e r a t i o n so ft h ec r a c k e dg a st h r o u g h c a l c u l a t i o nt h es t r e s sd i s t r i b u t i o no ft h ed r y e ri nt h ea c t u a lw o r k i n gc o n d i t i o i l s k e y w o r d s ：p r e s s u r ev e s s e l ，f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ，s t r e s sa n a l y s i s ，t h e r m a ls t r e s s t h e s i s ：a p p f i c a t i o no ft e c h n o l o g ys t u d y i v 学位论文创新性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安石油大学或其它教育机构的学位 或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做 了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 论文作者签名： 日期：碰：! ：垄里 学位论文使用授权的说明 本人完全了解西安石油大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读 学位期间论文工作的知识产权单位属西安石油大学。学校享有以任何方法发表、复制、 公开阅览、借阅以及申请专利等权利，同时授权中国科学技术信息研究所将本论文收录 到中国学位论文全文数据库并通过网络向社会公众提供信息服务。本人离校后发表 或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时，署名单位仍然为西安石油大 学。 论文作者签名： 导师签名： 日肌驾z 出口 注：如本论文涉密，请在使用授权的说明中指出( 含解密年限等) 。 第一章绪论 第一章绪论 乙烯是石油化工行业的基础原料之一，对整个国民经济发展起着重要作用，其生产 能力是衡量国家石油化工发展水平的重要标志，而核心设备的研发却制约着乙烯装置的 大型化。 目前，我国乙烯装置生产能力远不能满足消费的需要，2 0 1 0 年中国乙烯需求量达到 2 5 0 0 万 2 6 0 0 万吨，而2 0 1 0 年的生产能力为到1 4 0 0 万吨，只能满意中国需求的5 5 ；中 国石油规划总院炼化所所长张福琴表示，2 0 2 0 年，中国乙烯需求量将达至u 3 7 0 0 万 - 4 1 0 0 万吨，生产能力将达至u 2 3 0 0 万吨，只能满足中国需求的6 0 左右，要加快大型乙烯装备 国产化和工业化进程。据初步估计，至u 2 0 2 0 年中国需新增8 0 万 - - 1 0 0 万吨级乙烯成套装置 约9 套。而建设1 套百万吨级大型乙烯成套装置，总投资一般在2 0 0 亿元以上。在乙烯建设 项目中，设备成本占总投资的3 0 左右，每套大型乙烯装置仅设备成本就达到7 0 亿元左 右，“十二五 期间乙烯装置设备的投资将达6 3 0 亿元i l j 。 裂解气干燥器是乙烯装置中的重要设备，其作用是从裂解气中脱除水分，裂解气干 燥器在高温高压的恶劣条件下工作，并且分子筛干燥剂需要再生，所以必须反复充压泄 压，升温降温，这对裂解气干燥器的结构和强度安全性设计提出了更高的要求。 裂解气干燥器在设计中通常通过加大安全系数、加大壁厚的方法来保证其安全性， 但这样会使容器变的笨重，造成严重的浪费。随着乙烯工业生产的迅速发展，装置规模 的不断扩大，对裂解气干燥器的处理能力提出了更高的要求，操作条件日益苛刻。在设 计中如何保证安全可靠、经济合理的基本要求就越来越重要。 1 1 课题来源 本课题来源于中国石油天然气集团公司直属中国寰球工程公司1 0 0 万吨年大型乙烯 装置工程项目。研究课题所涉及的特大型裂解气干燥器直径达5 2 0 0 m m ，高度为 1 8 8 3 0 m m ，并且工作温度在1 6 2 3 2 、工作压力在0 3 9 m p a - - 一3 9 m p a 之间交替变化， 这种复杂、恶劣的工况对裂解气干燥器的结构和强度安全性设计提出了更高的要求。 1 2 裂解气干燥器介绍 裂解气干燥器是乙烯装置中的重要设备，其作用是从裂解气中脱除水分，一套乙烯 装置一般有两台裂解气干燥器。 裂解气是石油烃高温裂解生产低级烯烃过程中生成的多组分混合气体，其组成随裂 解原料、裂解方法和裂解条件而异。主要成分是甲烷及碳二至碳五烯烃和烷烃，还有氢 气、少量炔烃、硫化物、一氧化碳、二氧化碳、水分及惰性气体等杂质。裂解气需经净 化及深冷分离，才能获得所需纯度的乙烯和丙烯。 乙烯装置正常运行时有一台干燥器处于干燥裂解气的操作状态，而另一台处于备用 西安石油大学硕士学位论文 状态。裂解气干燥器在乙烯生产流程中的位置如图1 - 1 所示。 “南斗乙誓斋- 。匿良 6 * 一旷 4 “0 j ：。 骨# r 置 ，、* 百j 。蝉一* e 口 jl ，墅旦塑生 一盟工盟塑 图i - 1乙烯生产装置流程简图 图l _ 2 裂解气干燥器实物图 图1 - 2 为某乙烯工程项目中的重点设备，单台设各重为1 7 0 吨的特大型压力容器一 乙烯装置裂解气干燥器。 裂解气由于经过急冷时的水洗，以及在脱除酸性气体杂质处理时与碱液、吸收剂水 溶液接触和随后的水洗，在裂解气中含有水分( 约在4 0 0 7 0 0 p p m ) ，这些水分在深冷分 离操作时会结成冰。另外，在压力和低温条件下，水还能与甲烷、乙烷、丙烷等烃生成 烃水合物的白色结晶，和冰雪相似，例如c 1 g6 h 2 0 ，c 2 h , 7 h 2 0 ，c 3 h 8 1 7 h 2 0 等等。裂 解气中的水分如果不脱除，就会与烃在塔内或管道内生成烃水合物。冰或烃水合物结在 第一章绪论 管壁，增加动力消耗，甚至堵塞管道和设备，造成停车影响生产。所以必须对裂解气进 行脱水( 深度干燥) 。 裂解气干燥器采用分子筛作为脱水剂。分子筛是由阳离子和带负电荷的硅( 铝) 氧 骨架所构成，本身是一种极性物质。水是强极性分子，因此，水与分子筛之间具有极大 的亲合力，在低水汽分压下，分子筛仍具有较高的吸水能力。裂解气在干燥时被冷却到 常温或更低温度，自上而下通过干燥器内的分子筛层。当吸附到一定得程度时，分子筛 吸附水分达到饱和时，干燥器出口的裂解气露点就会达不到要求，需切换干燥器进行再 生。再生时，经加热后的甲烷氢馏分自下而上通过分子筛，开始阶段缓慢加热除去大部 分水和其他烃类，然后逐渐升温n 2 3 0 2 5 0 ，除去残余水分。再生完成后需要用冷 的甲烷、氢馏分从上而下吹扫，使分子筛冷却至吸附温度备用1 3 j 。 由于干燥生产工艺的需要，裂解气干燥器的工作载荷随着需要随着时间变化，遇到 紧急工况时，载荷条件会更苛刻。裂解气干燥器的工作温度在1 6 1 2 - - - , 2 3 2 c 、工作压力在 0 3 9 m p a - - - 3 9 m p a 之间交替变化。这种恶劣的工况条件对裂解气干燥器的结构和强度安 全性设计提出了更高的要求。 1 3 裂解气干燥器研究方法的国内外现状 裂解气干燥器因生产工艺需要设有物料进出口，同时为了便于检测与检修，需要安 装压力表、液位计、安全阀、人孔等，这使得壳体上必须进行开孔接管。开孔接管的应 力状况非常复杂，一方面开孔破坏了壳体材料的连续性，削弱了原有的承载面积，在开 孔边缘必定造成应力集中；另一方面接管的存在使开孔接管区成为总体结构不连续区， 壳体与接管在内压的作用下自由变形不一致，在变形协调过程中将产生边缘应力f 4 】。另 外裙座支撑处是封头、简体和裙座三部分的连接处，机械应力和热应力分布非常复杂 5 1 。 为了确保设备结构安全可靠，必须对这些应力集中部位进行详细的应力分析计算。 应力分析的方法主要有解析法、数值法和实验法。 解析法是用函数形式表达问题的解，并给出解的一般表达形式，能明显地反映出解 的性质，求解前首先建立问题的基本方程，通常需要考虑的问题有力( 外力、内力和应 力) 的平衡性，变形( 位移和应变) 的连续性，力、变形和温度间的物理关系，建立表 示各量间关系的基本方程。有时需要根据能量原理和问题的性质，建立综合反映力、变 形和零件特性的混合形式的泛函，建立基本方程。解析法采用严格的数学运算，对某些 简单问题能得出精确解。但对于复杂问题，则必须对零件的形状尺寸和载荷条件等进行 合理的简化，从而得出近似解【2 j 。 数值法是求数值解的方法。在应力分析中，求解基本方程的数值法主要包括有限差 分法和有限元法等。有限差分法是把基本方程和边界条件转化为有限差分方程，就是把 力学问题归结为解联立代数方程组，然后运用电子计算机进行运算，并且通过调节步长 的大小以提高解的精度【6 】。有限元法是把连续体离散为有限单元的数值解法。有限元法 西安石油大学硕士学位论文 比有限差分法具有更大的灵活性和通用性，对复杂的几何形状、任意的边界条件、不均 匀的材料，各种载荷分布和各种类型的结构，如杆、板、壳和块体等都能灵活地加以考 虑，应用电子计算机进行运算。 实验法是通过实验分析的方法确定设备结构在受力情况下的应力分布状态的一种应 力分析方法。它主要通过模型或实物的应力测定和应力分析，为确定合理的设备结构提 供科学依据。 综合各种应力分析方法的特点，可以看出，对于结构复杂的特大型设备，最适合用 的是数值法进行分析。 1 3 1 应力分析设计 应力分析设计法是以弹性应力分析和塑性失效准则为基础的设计方法，目前已被世 界各国承认并采用 t j 。分析设计法要求对设备各部件的应力进行详细的分析并进行应力 分类，然后对不同类型的应力采用不同的应力强度校核条件加以限制。其特点是： 和基于简化公式和经验系数的常规设计相比，应力分析设计的精度大为提高，因 而将设计工作建立在准确了解结构内实际应力分布状态的基础上。 对迫切需要而常规设计中缺少的疲劳设计方法做出了明确而实用的规定。 弹性应力分析的实施手段已经完全成熟，任何复杂的结构部件，只要能给出设计 方案和载荷条件，都能凭借现代的数值计算方法或实验测试技术获得满足工程精度要求 的应力分析结果。 建立了基于塑性失效准则的弹性应力评定方法，提出将应力按其对导致失效的危 险程度进行分类，并基于等强度原理对不同类的应力规定了不同的安全系数。 综合上述，分析设计实现了同种材料处在各个关键部位上的潜力得到充分挖掘的目 的，为做出既省又轻还确保安全的先进设计方案打下了坚实基础【2 j 。 随着有限元软件的迅速发展，尤其是其功能的普适性和前后处理的“傻瓜化，有 限元应力分析越来越成为实施弹性应力分析的主要手段。但是如何对有限元计算得到的 应力进行应力分类是需要解决的关键问题。在这方面，等效线性化处理是一种适于使用 的方法，为世界各国普遍采用。对压力容器而言，等效线性化处理可得到沿壁厚均匀分 布的薄膜应力和线性分部的弯曲应力，再进一步分解成一次应力、二次应力和峰值应力。 1 3 2a n s y s 有限元方法 由于分析设计方法在理论和实践上的重要性，长期以来吸引着众多数学家、物理学 家和工程师们的注意。分析设计方法包括它的数学基础和它的实现，都紧紧地依赖于理 论数学的发展，计算手段的完善和计算机科学的发展，随着现代大型高速电子计算机的 出现，产生了一个强有力的分析设计手段有限元方法i 引。 有限元方法产生于2 0 世纪6 0 年代中期，它是处理连续介质问题的一种普遍方法。 4 第一章绪论 其基本思想是用离散化结构模型代替真实的连续弹性体。这种离散化的结构模型是由许 多有限尺寸的结构元素所组成，这些结构元素按照确定的位移与应力分布规律彼此联系 在一起。将这些元素的近似应力或位移解组合起来，就得到结构的位移或应力的近似解。 当元素的尺寸减小时，这种近似解便逐渐收敛于真实结构的精确解。随着电子计算机技 术及有限元方法的发展，出现了一些大型通用有限元分析软件，利用这些软件，仅就结 构分析而言，不仅可处理弹性静力学问题，还可以解决大变形、非线性、瞬态等复杂问 题【9 】。 a n s y s 软件是美国公司开发的大型通用有限元分析软件，它是第一个通过质量认 证的大型分析设计类软件，也是美国机械工程师协会、美国核安全局及近2 0 种专业技术 认证的标准分析软件。在国内它是第一个通过中国压力容器标准化技术委员会认证并在 全国压力容器行业推广使用的分析软件【l o j 。 1 3 3 现代压力容器疲劳设计的发展方向 裂解气干燥器的吸附和再生过程中的温度和压力需要循环变化，工作寿命内需要反 复充压泄压，升温降温，是典型的低周期疲劳问题，所以必须对设备结构进行疲劳分析。 从疲劳设计的发展总体看，一方面是进行基础理论研究，试图寻找出更适合疲劳设 计的理论基础，能较确切的反映材料从屈服到破坏的连续过程，避免相互影响的因素干 扰，如损伤力学的各项异性损伤理论，宏细微观理论【1 1 1 ，最小耗能理论等。另一方面是 在原有设计基础上，不断积累数据，考虑实际各种复杂条件，如各种结构相互影响，应 力集中系数，载荷模型的影响及材料在各种应力状态下的性能参数等，以便于可靠性设 计的应用及仿真模拟【l z j 。 从发展的重点看，非对称、多轴循环载荷的研究：实际构件一般在非对称、多轴 循环载荷下工作，以及材料性能的分散性，整体结构的相互影响使疲劳设计有向非线性 数学模型转化发展的趋势。多数的材料多轴破坏准则仍取决于疲劳试验，而且相关的试 验结果仍很少【1 3 1 。一般认为疲劳失效发生在某一特定平面( 一般采用最大切应变临界平 面) 损伤累积和疲劳寿命估计都在该平面上【1 4 】。如王雷等根据裂纹萌生将多轴常幅的最 大切应变，临界平面概念扩大到多轴随机载荷，提出权值平均最大切应变平面概念【1 5 1 。 影响因素的量化：不断积累数据，利用概率统计，神经元网络自学体系，遗传算法的 人工智能技术，改进的弹塑性应变集中系数或其他影响因素的估算法瞄】。以及焊缝数值 模拟及焊缝中可允许缺陷及残余应力对疲劳设计曲线的影响，结构、尺寸、载荷模型对 疲劳设计的影响因子的估算方法。如d o n g 讨论了基于洲曲线的焊缝分类可能有意义 地导致一个单一通用的洲曲线的可能性，这样对一种特殊类型的节点名义应力只需 带适当的几何或结构应力集中因子【1 6 】。正常条件扩展到特殊条件：由一般疲劳设计引 申至特殊条件下的疲劳设计，如双向疲劳、蠕变与疲劳相互作用、热疲劳、高循环疲劳 设计曲线、变幅载荷特别是周期的过载应变及载荷次序对疲劳设计曲线的影响，环境腐 5 西安石油大学硕士学位论文 蚀疲劳特别是反应堆中水介质对疲劳设计曲线的影响都需要进一步研究。疲劳裂纹宏 细微观描述：疲劳裂纹扩展大致可划分3 个阶段【1 。n ，晶体学扩展，裂纹沿滑移带扩展是 由剪切应力分量控制；非晶体学扩展，其裂纹扩展由正应力分量控制；之间有一个转变 阶段。每个阶段的数学描述有待完善。 压力容器疲劳设计的涉及研究领域越来越广，随着新技术、新材料的不断涌现，疲 劳设计在不同领域的应用性进一步深化【1 8 l 。变幅载荷下的疲劳裂纹扩展，应力集中下的 高周疲劳，分层功能材料的热疲劳，数值模拟，疲劳裂纹扩展，复合材料、聚合物等新 型材料的疲劳研究，多轴疲劳和焊接件的疲劳研究引起了人们更多的兴趣【1 9 1 。 1 4 课题主要研究方法及内容 乙烯是石油化工行业的基础原料之一，对整个国民经济发展起着重要作用，其生产 能力是衡量国家石油化工发展水平的重要标志。随着社会对乙烯需求的增大，对大型乙 烯装置关键设备也提出了更高的需要。 本论文题目来自中石油百万吨级大型乙烯装置工程项目，采用了分析设计方法对百 万吨级大型乙烯装置工程中的核心设备裂解气干燥器进行了结构设计计算、压力作用下 的应力分析、热应力分析。把计算得到的结果按分析设计标准进行分类，评估各种工况 下机械载荷应力与热应力对设备结构的影响，对百万吨级大型乙烯装置核心设备裂解气 干燥器的结构和强度设计做了有益的探索。 本论文研究的核心内容主要包括以下几方面： ( 1 ) 对直径达5 2 0 0 m m ，高度为1 8 8 3 0 m m ，工作温度在1 6 1 2 - - 2 3 2 1 2 、工作压力 在0 3 9 m p a - 3 9 m p a 之间交替变化的特大型裂解气干燥器，选择设计方法，得到基于安 全性、经济性的壳体尺寸。 ( 2 ) 对裂解气干燥器上下封头、人孔、平盖、接管等开孔应力集中部位采用有限元 方法进行分析计算，确定有限元研究模型和网格划分方式，分析并设定边界条件。对危 险部位的有限元计算结果进行线性化处理，作出强度安全分析评价，最后进行这些部位 的疲劳强度校核。 ( 3 ) 对结构变化及应力分布最为复杂的裙座支撑部位，采用有限元方法进行机械应 力计算分析及疲劳计算分析。用有限元方法对温差最大的裙座支撑部位进行热应力计算 分析，研究该处的热箱高度与热应力的关系，最后根据分析结果确定合理的热箱高度。 ( 4 ) 利用有限元软件对裂解气干燥器复杂的实际工况进行模拟计算，得到各实际工 况下压力载荷与温度载荷的组合应力。对温度2 3 2 、压力3 9 m p a 的极端工况下的设备 结构应力分布进行计算。为了确保设备结构安全，通过对实际工况下设备结构的应力分 析计算，对工艺生产提出要求。 6 第一章绪论 1 5 本章小结 本章首先阐述了研究百万吨级特大型裂解气干燥器的现实意义，介绍了课题来源； 然后说明了裂解气干燥器在乙烯装置中的重要性及工艺状况，介绍了百万吨级特大型裂 解气干燥器的设计难点；其次，阐述裂解气干燥器研究方法的国内外现状；最后，说明 了本论文的主要研究方法及内容。 7 第二章裂解气干燥器壳体开孔和接管处应力分析 第二章裂解气干燥器壳体开孔和接管处应力分析 2 1 裂解气干燥器设备结构和载荷分析 百万吨级大型乙烯工程中的裂解气干燥器属于特大型压力容器，容器的直径达 5 2 0 0 m m ，高度达18 8 3 0 m m ，具体设备结构尺寸如图2 - 1 所示。 纩 q 乜多丫 j ；一r 。、d 纠 l c 口 氏 、h 八置 - _? j l 崮： 一t lei lil l - 气= ，劬柚 置 妻 ) j l 叶l - 、 lr i 厂卞、l 、1 降 量 - j f f _ ! ， _ ，t _ 。、j ，j il i r 2 胁小成 一h 磐 露 。1 宣 y k 多。 一11 | - 囊 j1 、 t _ 7 - 2 。非 l 一 。 量 一 _ 一 枣 毒 ， 瓠 l - ， ， i 一 。 厂 弋 一 t l i 湛i- 。 mi 忙 i i ，b i 铂 图2 - 1 裂解气干燥器设备结构简图 裂解气干燥器设计条件复杂，设计压力在0 7 6m p a 4 5m p a 之间、设计温度在6 5 3 第二章裂解气干燥器壳体开孔和接管处应力分析 2 5 0 之间变化，基本设计参数见表2 1 。 表2 1 裂解气干燥器基本设计参数 操作压力( 再生，操作) 0 3 9 3 9m p a ( 周期4 8h ) 设计压力( 再生操作) 0 7 6 - 4 5m 口a 操作温度( 再生操作) 2 3 2 1 6 设计温度( 再生操作) 2 5 0 6 5 简体材料 16 m n r ( 正火) 接管材料1 6 m n ( 锻件) 腐蚀裕量c 2 = 3 0m m 裂解气干燥器计算条件； 计算温度：6 5 1 2 ； 计算压力：4 5m p a ；， 设备主体材料在计算温度下的特性参数： 封头、简体、裙座：1 6 m n r ( 正火) 设计应力强度s m t = - 1 7 4 8i v i p a ；( 6 0 万1 0 0 ) 设计应力强度s m t = 1 8 1 a ； ( 3 8 万6 0 ) 设计应力强度s m t = 1 8 7 a ； ( 2 6 万3 6 ) 接管：1 6 m n ( 锻件)设计应力强度s m t r t r a e = 1 6 7 4m p a ； 弹性模量：f _ a n t = 2 0 4 3 1 2m p a ； 设备总重3 7 0 0 0 0 k g ； 本台设备承受循环载荷： 设备使用寿命为2 0 年，每年8 0 0 0 小时额定工作时间，本设备寿命年限内的循环次数 为3 3 3 3 次。 为了保证疲劳载荷下的设备结构安全，必须进行疲劳分析，应用分析设计，可以得到 更加安全可靠的设备结构。 根据材料的特性及本台设备在寿命年限内的循环次数n = 3 3 3 3 ，可以由j b 4 7 3 2 9 5 中附 录c “以疲劳分析为基础的设计”1 2 0 ，确定许用交变应力强度幅跟，= 3 7 5 8 m p a 。 根据弹性模量修正得到，用= 3 6 5 6 v i p a 。 2 2 裂解气干燥器壳体计算 常规设计法，是以弹性失效为准则，以薄膜应力为基础，限定最大薄膜应力强度不超 过规定的许用应力值。对于边缘应力和峰值应力等局部应力，一般不做定量计算或仅以应 力增强系数引入强度计算公式，并取与薄膜应力相同的强度判据。此设计方法虽然简单， 但不及应力分析设计法合理，计算且偏保守，造成很大的浪费【2 1 1 。 9 西安石油大学硕士学位论文 分析设计方法要求对容器的各种应力，如薄膜应力、边缘应力等进行精确计算和分类， 对不同性质的应力，根据它们对容器安全性的危害大小，应用极限分析法和安定性概念， 分别建立不同的强度条件加以限制，同时还考虑了循环载荷下的疲劳分析【7 1 。虽然计算量 大，但是按此法设计的容器安全可靠，且更加经济合理【6 j 。 分析裂解气干燥器的设计条件可以看出，其承受交变载荷，且温度载荷变化较大，若 按常规设计，计算结果比较保守，且不能保证设备机构的安全性。所以选择进行分析设计， 得到基于保证安全性、经济性的设备结构尺寸。 2 2 1 确定裂解气干燥器简体厚度 表2 - 2 载荷组合系数k 【2 0 1 条件载荷组合k 值计算应力的基准 设计压力、容器自重、内装物料设计温度下，不计 a1 o 设计载荷 附属设备及外部配件的重力载荷腐蚀裕量的厚度 b a + 风载荷1 2 1 2 3 同上 c a + 地震载荷1 2 1 2 3 同上 试验压力、容器自重、内装物料液压试验为1 2 5试验温度下，实际 试验载荷 a 附属设备及外部配件的重力载荷 气压试验为1 1 5设计次数 注：1 ) 不要要同时考虑风载荷与地震载荷。 2 ) 风载荷与地震载荷的计算方法按有关规定。 3 ) 一次总体薄膜应力在屈服点一下。 裂解气干燥器筒体材料为1 6 m n r ，设计温度下的许用应力强度为s m = 1 7 4 8 a ； 简体内径d i = 5 2 0 0 m m ；计算压力p c = 4 5m p a 。 计算简体厚度【2 0 】万： 艿：墨垒 ：6 7 8 r a m 2 k s m 一只 考虑到设备开孔及材料腐蚀，最终取筒体的名义厚度瓦= 8 0m m 。 2 2 2 确定裂解气干燥器封头厚度 封头为球形封头，材料为1 6 m n r ，设计温度下的许用应力强度为& = 1 8 1 m p a ；内径 r i = 2 6 1 5m m ，计算压力心= 4 5m p a 。 计算球壳厚度t 2 0 8 ： 艿：里：! 墨墨：3 2 7 1 衄 k s 。一0 2 5 只 考虑到设备开孔及材料腐蚀，最终取封头的名义厚度瓦= 5 0 m m 。 1 0 第二章裂解气干燥器壳体开孔和接管处应力分析 2 3 裂解气干燥器局部结构应力分析 裂解气干燥器由于工艺生产的需要，壳体上有多处接管及开孔，这些接管和开孔会造 成应力集中，成为该压力容器的高应力区，如果局部应力超过了材料的许用应力就会导致 设备损坏而酿成灾难性的后果，所以必须对这些应力集中部位进行详细的分析计算，确保 运行设备安全可靠。这些部位形状较为复杂，很难用解析法进行精确求解，所以必须应用 有限元法进行详细的应力分析计算。 有限单元法的基本思想是将问题的求解域划分为一系列单元，单元之间仅靠节点连 接。单元内部点的待求量可由单元节点量通过选定的函数关系插值求得。由于单元形状简 单，易于由平衡关系或能量建立节点量之间的方程式，然后将各个单元方程“组集 在一 起而形成总体代数方程组，计入边界条件后即可对方程组求解。主要步骤如下【9 】： 第一步：弹性体的离散化 弹性体的离散化是有限元法的基础。概括地说，离散化的过程就是将连续的弹性体划 分成有限个单元，在单元的边界上设置节点，将相邻的单元在节点处连接起来，组合成单 元的集合体，以代替原来的弹性体。这样，就将具有无限个自由度的弹性体简化为有限个 自由度的单元集合体。从数学上讲，把连续形式的微分方程转化为代数方程组，以便于用 电子计算机进行数值求解。本文裂解气干燥器应力分析主要应用八节点平面单元和二十节 点六面体单元。 第二步：位移函数 单元分析中要求用单元节点位移来表示单元内点的位移、应变和应力。而应变和应力 又是位移的函数。所以，对单元内的位移作出假设，建立位移函数就成为有限元法分析的 关键。 用单元节点表示单元内位移函数的矩阵形式为 f = n 8 。 ( 2 - 1 ) 式中n 为形函数矩阵。 第三步：单元的应变和应力 将位移函数代入几何方程，即可得到单元的应变和节点位移的关系式 g = b 万8( 2 2 ) 式中，b 为应变矩阵。 将上式代入物理方程，得到单元的应力和节点位移的关系式为 盯= s 万。( 2 3 ) 式中，s 为应力矩阵。 第四步：单元刚度矩阵口5 】 将式( 2 1 ) 和式( 2 3 ) 代入虚功方程，得到单元刚度方程为 k 。万。= r 。( 2 - 4 ) 西安石油大学硕士学位论文 其中单元刚度矩阵为 k 。= 胪r d b d x d y d z = b r s d x d y a z ( 2 5 ) yy 其中子块 k 】= r f 】f j p 纠卅彬刁 o ，j - - 1 ，2 ，8 ) ( 2 7 ) 求解裂解气干燥器简体接管处应力、下封头开孔处应力和平盖开孔处应力所需的二十 节点六面体的单元的形函数为 ，2 吉( 1 塌x 1 + ，7 。x 1 + 氛+ 。+ 氛一2 ) ( f = 1 , 3 ，5 ，7 ，13 ，15 ，1 7 ，19 ) f = 丢( 1 一s 2x 1 + ，7 。x 1 + 厶) ( i = 2 ，6 ，1 4 ，1 8 ) m = 丢g - r 0 2 ) 0 + s 。x 1 + 氢) 0 - - 4 ，8 ，16 ，2 0 ，) n l = 三o 一鼠2x 1 + 岛x 1 + 矾) 式中占o = 占l 占，r o = r l r ，氛= 缶f ，i = 1 ，2 ，2 0 矩阵表达式为 ( 2 8 ) k 醛= l l b ：d bs 出如d z = l l00 b i d 曰, a g a , t a ( ，s = l ，2 ，8 ) ( 2 9 ) 第五步：单元等效节点力 单元刚度方程中的单元等效节点力是由作用在单元上的集中力、分布体力和分布面力 按虚功等效的原则移置到节点上的力。所谓虚功等效，即作用在单元上的力移置后的等效 节点力，在任意虚位移上作的虚功相等。 1 2 第二章裂解气干燥器壳体开孔和接管处应力分析 在集中力p 、分布体力p 、和分布面力q 引起的载荷作用下，节点力可表示为： r e = n t p + 弧n tp d x d z + ”t q d a ( 2 1 0 ) y 第六步：整体刚度矩阵 求得单